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光通信
2022/4/12 16:54

华拓光通信吕文博:硅光集成光模块迎来发展机遇

C114通信网  颜翊

C114讯 4月12日消息(颜翊)近年来,随着数据中心的发展,对光纤系统的容量和带宽要求逐步提升。越来越大的数据流量不仅对特定应用中的传输带宽有着越来越高的要求,也同时在催动着数据中心网络架构的变革。

今日,CIOE中国光博会联合C114通信网推出大型策划会展活动——“2022中国光通信高质量发展论坛 - 400G技术专场”。本次论坛上,四川华拓光通信股份有限公司研发经理吕文博分享了题为《数据中心硅光集成光模块的变革与机会》的探讨。

吕文博认为,数据中心网络架构的升级意味着对光网络的要求更加复杂。尤其在这个兼容并包,大小数据中心国内外齐头并进的局面下。作为模块厂商需要考虑更多更复杂的问题。

一方面,已经布设的数据中心面临兼容原有系统进行带宽升级的压力。另一方面,头部数据中心和中小型数据中心之间在同一时间存在一定需求差距。在保证技术系统兼容性的前提下,为所有客户带来一致的技术栈,平滑的应用升级方案成为光模块厂商面临的新挑战。

面对这些挑战,硅光与硅光共封(CPO)迎来了发展机遇。

硅光共封将与模块长期共存

硅光共封(CPO)将光组件和交换机芯片封装到同一封装乃至同一硅片中。硅光共封从交换芯片直接扇出光纤,避免板级的电信号损耗。从而节约了用于均衡加重等信号处理的DSP,在整体成本整机功耗上比传统方案节约30%左右。

但硅光集成的劣势在于集成光源困难,集成度高,配置灵活性相对较差,封装难度高,对想要升级微光系统的企业来说是一个不小的难题。

对大规模数据中心来而言,硅光系统的低能耗,高密度,以及在各个方面带来的成本优势,无疑是下一代技术的首选。而对中小型或已经布设的数据中心来说,更多的是需要一个从现有系统过渡到硅光系统的过程。在这个过程中,对硅光模块的应用,以及在何时,何种状态下,在哪一层级布设共封交换机,以及如何与现有系统进行兼容,都是网络设计者需要考虑的问题。

吕文博指出,长远来看,硅光会成为光系统主流,但CPO将会长期与模块共存。

光电直接集成在业界已经经历过多次尝试,但因为种种原因,这些方案都没有推起足够的波澜。这是由于当时带宽需求还不够迫切,封装良率、集成工艺难度在当时还不成熟。

当前工艺难度的问题正在逐渐被解决,并且有更多更先进的工艺被提出和落地。但光学共封相比传统模块也存在一些问题。相对于可插拔模块,硅光系统一旦成型,就再也无法对网络进行诸如WDM,Gearbox等方式进行带宽的扩展。可插拔带来的优势在于灵活的搭配带来的灵活的整体成本。

在当前这个过渡时间段,硅光集成的总体成本还没有前进到低于传统模块的程度,而传统模块价格进一步下探。对于新数据中心来说,更多的考虑来自于于传统方案的过渡,逐步兼容发展。

硅光集成路线

吕文博表示,下一世代是封装的世代,不只是光通信,我们可以在越来越多的场合看到封装正在替代晶圆延续摩尔定律。首当其冲的是基板集成,这一代技术已经基本可以满足当前芯片外设互联的带宽要求。当前众多的集成方案也停留在基板集成。

回过头来看硅光集成,硅光共封本质上也属于下一代封装技术。只是将电到电变化成电到调制chip。在许多已经进行试水甚至初步部署的硅光交换系统中。广泛使用的还是基板共封。同时,更深层次的基板层面的工艺或晶圆级别的硅光异质集成也正逐步走向成熟。在后续的网络架构中,模块是必须的,模块厂商需要考虑在传统模块形式的系统中,如何进行硅光集成。

硅光集成按照集成方式分为基板集成和单片集成,在模块寸土寸金的空间中,外置光源或基板集成都难以实现。而在单片集成方案中,不同fab提出了各自不同的集成路线。

目前主流的硅基异质集成都基于SOI晶圆第一代的III-V组合。硅基异质集成采用先在SOI晶圆上加工好所需的硅光器件,同时在外延生长好III-V材料外延片,再将未加工微结构的III-V外延片键合到硅光芯片上。去除III-V材料衬底,并刻蚀出所需的激光器结构以及其他有源器件,最终形成III-V与硅异质集成晶圆,再做切片,抛光,镀膜等处理。但这种硅基异质集成的方式工艺复杂且良率较低,在气密性和散热性方面都不是很理想。

在华拓光通信研发进程中,注意到一种直接异质集成工艺。这种集成方式是先在SOI晶圆上“挖”坑,将III-V族材料和Si衬底通过金属键合在一起;然后去掉III-V外延片衬底,通过生长SiO2和a-Si(非晶硅)将两种材料重新连接起来;最后通过标准CMOS方式制作III-V波导和Si波导,实现两种波导对准。

这种集成方式的优点在于III-V材料和硅材料的波导天然对准,不存在由于波导耦合带来的发光效率损耗和良率损失,并且III-V材料紧贴在散热良好的硅基衬底上,其在发光效率、热设计方面相对于传统模块都有一定的优势。从技术上通用性来说,这种硅光PIC能够适应从100G,400G、800G直到3.2G的硅光共同交换芯片。

随着技术的发展,光通信厂商不但可以以模块的形式提供基于硅光技术的产品,其同样的产品形式也可以平滑应用到下一代芯片中,并通过模块厂商提供引擎及相关技术栈,为终端客户实现灵活的基础网络实践。

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